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智能低压电器电磁兼容干扰问题分析与对策探讨

孙园| 低压电器,电磁兼容| 2010-11-21
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【中心议题】

  • 分析了智能化低压电器产品电磁兼容设计中的常见问题
  • 提出了相应解决措施

【解决方案】

  • 跨接氧化锌压敏电阻抗雷击浪涌
  • 接地和屏蔽
  • 滤波及吸收

1引言

近年来,我国智能化低压电器的研究取得了一定进展,然而,随着技术的发展和对环境要求的提高,对电器产品电磁兼容的要求越来越高。因此,如何排除各种电磁干扰、解决电磁兼容问题、提高智能化电器的可靠性和适应性,加快产品化进程,已经成为目前工程设计人员必须考虑的问题。

2低压电器抗扰度性能及试验要求

现行的电磁兼容标准IEC 6094721规定了低压电器的抗扰度试验项目,包括浪涌(冲击)抗扰度试验(GB/T17626.5)、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验(GB/T17626.4)、射频电磁场辐射抗扰度试验(GB/T17626.3)和静电放电抗扰度试验(GB/T17626.2)。

浪涌是指低压电器在开关操作或被雷击时,在电网或通信线上产生的暂态过电压或过电流。浪涌呈脉冲状,其波前时间为数微秒,脉冲半峰值时间从几十微秒到几百微秒,脉冲幅度从几百伏到几万伏,或从几百安到一百千安,是一种能量较大的骚扰。

电快速瞬变脉冲群是指在同一供电回路中其他用电器(或设备)在工作过程中(如开关、继电器等在使用时)产生的瞬态脉冲群。如果电感性负载多次重复切换,则脉冲群会以相应的时间间隔多次重复出现,且有脉冲上升时间短、重复率高和能量低、频谱分布较宽等特点。

电磁辐射一些来自于有意产生的电磁辐射源,一些来自于设备无意产生的杂散辐射,如晶闸管整流器、荧光灯、感性负载的开关操作等。射频电磁场辐射抗扰度试验是为评定产品对射频电磁场抗扰度的水平而进行的。

静电放电抗扰度试验是为了评定产品对静电放电抗扰度的水平而进行的。试验模拟操作人员或物体在接触设备时的放电及人或物体对邻近物体的放电,考核被试设备抗静电放电干扰的能力。

总体上讲,对于各种低压电器产品,IEC6094721没有规定具体的判别标准,而是由产品标准依据产品的不同特点来规定具体的试验要求条件和水平。

 

3智能化低压电器产品电磁干扰常见问题及解决方案探讨

智能化电器的系统一般采用单片机控制技术和开关电源供电方式,本身具有“弱电”和“强电”相混合的特点。产品在现场使用时,往往会处于高电压、强电流的电磁场中。

笔者在对一种智能低压接触器进行研究的过程中发现,对未考虑电磁兼容要求的样机进行上述抗扰度试验测试,会出现各类的不正常工作情况,通过对这些问题的分析,采取了相应的改进措施。

3.1浪涌(冲击)抗扰度试验过程出现的问题及解决方案

在样机的电源端L线与N线间加入电压为1kV,周期为20s的正负脉冲各5个,接触器在原来吸持的状态下跳开,出现误动作。若将电压加大,甚至出现开关电源烧毁的现象。

针对以上现象,考虑在电源电路中增加浪涌抑制器件。常用的浪涌抑制器件有气体放电管、氧化锌压敏电阻、瞬态电压抑制器、硅二极管等。它们的工作原理不同,但有相似的伏安特性,即两端的电压低于规定电压后,通过电流很小,而当两端电压高于规定电压后,通过电流会呈指数规律增长。

这一伏案特性使其能同时满足浪涌抑制泄流和限幅的要求,因而也就称为浪涌抑制的主导器件。尤其是氧化锌压敏电阻,不仅限幅电压可以很低,导通电流也可以很大,价格又便宜,已经成为电气设计师首选的浪涌抑制器件。

因此,采取的解决方案是在火线零线之间,火线对地以及零线对地之间跨接型号为TVR14391的氧化锌压敏电阻,通过测试证明,此压敏电阻确实对抗雷击浪涌起到关键性作用。同时,在电源电路中串接一个型号为5D-11的功率型热敏电阻,它的体积小、功率大、反应速度快,对抑制浪涌也起到较大作用。

3.2静电放电抗扰度试验过程出现的问题及解决方案

静电放电抗扰度试验包括两个方面,一个是直接放电,用放电枪电极直接对准被试物体的试验点实施放电;而另一个间接放电则是用放电枪电极对被试物体附近的耦合板(垂直的、水平的)实施放电。

实际测试时,将样机整机封装,采用8kV正极性试验电压,对水平板和垂直板进行间接放电,并对机箱边框、扶手等金属件及按键、显示窗口等位置进行直接放电,出现的问题是LED显示乱码。此时用示波器测试单片机复位脚,可明显观测到多个周期的正弦波,幅度十几伏左右,周期为纳秒级。说明放电现象引起了单片机的复位,无法使其正常工作。

针对这种问题,一方面考虑“接地”改进,主要是为了更好地泄放静电放电电荷。具体的措施有增加铺地的区域:在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用,并通过过孔将正反两面的铺地(覆铜)连接起来;或者在电源、地线之间加上去耦电容,用来滤除高频器件在PCB电源或芯片电源脚上引起的辐射电流。

 

另一方面,静电防护的有效办法是屏蔽。可以考虑将样机的面板换为有机玻璃面板。

通过以上改进措施,样机能顺利通过±8 kV(间接放电)和±15 kV(直接放电)的测试,抗干扰效果相当明显。

3.3电快速瞬变脉冲群抗扰度试验过程出现的问题及解决方案

利用群脉冲发生器产生脉冲,从电源输入到样机。受试端口为L线,电压1kV,重复频率5kHz,持续时间100s。出现的问题是LED显示闪烁,接触器不能稳定吸合。脉冲群消失后工作正常。其原因是样机受到了传导和辐射的复合干扰。主要的解决措施是滤波(电源线和信号线的滤波)及吸收(用铁氧体磁芯来吸收)。特别是采用铁氧体磁环吸收的方案,相比电源滤波器而言,其做法更加经济有效。

通过以上设计整改,样机在福建省中心检验所通过了抗扰度的4项试验项目,试验过程中样机工作正常,电磁兼容性良好。

4结束语

本文基于对智能低压电器中电磁兼容问题的分析,提出了一些相应的对策,并针对一种智能低压接触器的样机进行EMC设计和整改,提高了其可靠性和稳定性,也为同类电器产品的电磁兼容优化设计提供了参考方案。

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